FH D Institut für Strömungstechnik und Akustik Prof. Dr.-Ing. Frank Kameier FACHHOCHSCHULE DÜSSELDORF UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES www.fh-duesseldorf.de Bachelor- Thesis: Entwicklung eines Verfahrens zur Überwachung von Fouling in Wärmeübertragern einer Industrieanlage Bearbeitet von Florian Schneider B.Eng. Aufgabenstellung Recherche aktuell auf dem Markt erhältlicher Fouling- Überwachungssysteme Literaturrecherche Entwicklung eines Algorithmus zur Zustandsüberwachung von Wärmeübertragern Wirkungsgradabhängigkeit der mit dem Wärmeübertrager verbundenen Turbomaschinen vom Kühler- Fouling Anwendung der Theorie Qualitative Beurteilung des Algorithmus Überlegungen konstruktiver Maßnahmen für die Anbringung benötigter Sensoren zur Erfassung der erforderlichen Messgrößen Zusammenfassung Neben einer Literaturrecherche wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik von Fouling- Monitoring- Systemen einschließlich eines bewertenden Vergleichs gegeben. Im Zentrum steht die Entwicklung eines Algorithmus, der auf Grundlage verschiedener Eingangsgrößen, wie Temperaturen und Massenströme, den jeweils aktuellen Wärmedurchgangskoeffizienten kt ermittelt. Mit Hilfe eines dynamischen Exceldiagramms kann der Verlauf der Zustandsänderungen auf einen Blick überwacht werden und geeignete Instandhaltungszeitpunkte mit Hilfe einer Prädiktionsfunktion vorhergesagt werden. Desweiteren wird die Veränderung der Betriebspunkte der Turbomaschinen durch Kühlerfouling analysiert. Abschließend sind konstruktive Maßnahmen zur Installation geeigneter Messsensoren ausgearbeitet.   Einleitung In der Industrie werden nach wie vor viele Anlagen mit den minimal erforderlichen Messstellen einfachster Zustandsüberwachung betrieben. Im Zuge diverser Optimierungsverfahren wird bei der Anlagenplanung die bestmögliche Konzeption ausgearbeitet, sowie die einzelnen Komponenten mit komplexen Methoden analysiert und kontinuierlich verbessert. Um den Gewinn zu maximieren, werden die Anlagen auf höchst möglicher Leistung betrieben ohne über genauere Kenntnisse der Zustandsbedingungen einzelner Komponenten zu verfügen. Durch mangelndes Wissen über die aktuellen Betriebszustände in einzelnen Detailbereichen werden aus diesem Grund bei Messungen und bei Störungen der Anlage und ihrer Funktionsfähigkeit Zusammenhänge verschiedener Abweichungen vom Soll- Zustand häufig fehlinterpretiert und unterschätzt, bis schließlich der komplette Ausfall einer Komponente die Produktion auf unbestimmte Zeit unterbricht. In der Bachelor- Thesis wird konkreter Bezug auf einen Wärmeübertrager in der Funktion eines Zwischenkühlers bei einem Maschinenstrang zur Luftzerlegung einer GTL- Anlage genommen (GasToLiquid  Flüssigkraftstoffherstellung aus Erdgas). Was ist Fouling? „Fouling“, zu Deutsch Verschmutzung oder Bewuchs, ist die größte und verheerendste Problemquelle beim Betrieb von Wärmeübertragern. Durch die Verwendung von nicht oder gering gereinigtem Kühlwasser aus Flüssen, Seen oder Meeren, lagern sich organische und anorganische Inhaltsstoffe im Inneren der Wärmetauscher an den wärmeübertragenden Flächen ab. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen den Vergleich zwischen einem neuen, sauberen und einem durch Fouling zugesetzen Wärmeübertrager: Fouling verschlechtert den Wärmedurchgang deutlich, sodass die Kühleraustrittstemperatur des Prozessmediums ansteigt. Realisierung einer zustandsorientierten Kühlerüberwachung Zur Entwicklung eines geeigneten Berechnungsprinzips gibt es eine Vielzahl möglicher Ansätze, die entsprechend ihres industriellen Einsatzbereichs, der erforderlichen Komplexität der Auswertung, des Grades notwendiger manueller Benutzereingaben und vieler weiterer Parameter ausgewählt werden müssen. Es liegt auf der Hand, dass es im Interesse aller Anwender von Überwachungssystemen jeder Art ist, ein möglichst präzises und umfangreiches Instrument unter Einsatz von möglichst wenig finanziellem und zeitlichem Aufwand zu erwerben. Der entwickelte Monitoring- Algorithmus benötigt zur Berechnung und Auswertung die Ein- und Austrittstemperaturen vom Prozess- und Kühlmedium, sowie die jeweiligen Massenströme. Für eine komplexere Wärmebilanz, bei der die ggf. anfallende Kondensationswärme mit kalkuliert wird, werden weitere einfach zu erfassende und in guter Näherung als stationär zu betrachtende Umgebungsgrößen benötigt. Der Algorithmus ist in einer Exceltabelle umgesetzt, in der mit Hilfe eines Add- Ins (NIST Standard Reference Database, REFPROP) automatisch alle erforderlichen Stoffdaten ermittelt werden. Eine durchgeführte Fouling- Simulation ergab nachfolgend abgebildetes Diagramm: Die Auftragung des jeweils aktuellen k- Wertes über der Zeit ermöglicht es, jeden Kühler, unabhängig von dessen Geometrie, zu überwachen. Befindet sich der aktuelle k- Wert (jeder blaue Punkt symbolisiert den Mittelwert eines Tages) oberhalb der minimal erforderlichen Wärmeübertragungsleistung (rote Linie), ist der Einfluss der Foulinganlagerungen in akzeptabler Größenordnung. Die Prädiktions- Funktion ermöglicht zustandsorientierte Wartungsarbeiten rechtzeitig planen zu können. Unterhalb der roten Linie ist jederzeit mit einem Ausfall der Komponente oder Problemen mit nachfolgenden Maschinen zu rechnen. Betriebspunktverschiebungen der Turbo-maschinen infolge Zwischenkühlerfouling Die enormen Auswirkungen, die Zwischenkühlerfouling beispielsweise auf den Wirkungsgrad des nachfolgenden Radialkompressors eines Turbomaschinenstrangs zur Luftzerlegung hat, konnten mit Hilfe verschiedener Simulationen analysiert und qualitativ beurteilt werden. 1 Kelvin Temperaturanstieg am Zwischenkühler-austritt hat 0,5 % Wirkungsgradverlust zur Folge. Fazit Das Fouling- Überwachungssystem ist in der Lage jede Wärmeübertragerbauform in Echtzeit zu überwachen und zustandsorientierte Status-meldungen auszugeben. Kooperation / Partner: MAN Diesel & Turbo SE Oberhausen www.mandieselturbo.de Logo nach Wunsch Februar 2012 Fachbereich 4 - Maschinenbau und Verfahrenstechnik